基于的泥料雙螺桿擠出機的流場分析

何家波 張柏清

（景德鎮陶瓷學院機械與電子工程學院，江西景德鎮333403)

0 引言

真空練泥機是陶瓷行業原料制備和成形階段的重要機械設備之一,用于泥料加工、成形。而真空練泥機結構的擠泥部分又直接關系著泥段的擠出質量，擠出泥段的質量直接影響成形坯體的質量[1]。因此，真空練泥機擠出部分始終是陶瓷工業生產中的關鍵泥料處理設備。然而，由于泥段縱斷面上的拋物線結構和顆粒的定向排列等結構缺陷,導致了成形坯體存在著坯體致密度不均勻、分層、S形紋理、扭曲、變形、開裂等缺陷,影響了成形坯體的質量[2]。然而,長期以來，關于練泥機擠出部分的設計都局限于單軸，無法從本質上解決泥料擠出質量差，擠出效率低，混合不均勻等問題。

圖1 雙螺桿擠出機螺旋絞刀的三維幾何模型Fig.13D geometric model for the spiral reamer of the twin-screw extruder

本文通過建立雙螺桿擠出機三維幾何模型，邊界條件采用機筒靜止、螺桿旋轉的實際運轉條件，利用ANSYS軟件模擬分析泥料在雙螺桿擠出機的擠出運動情況并求解流場。

1 幾何模型

圖1所示為雙螺桿擠出機螺旋絞刀的三維幾何模型，圖2是二維模型。圖1中螺旋絞刀外徑是72mm，軸轂直徑45mm，兩螺桿中心距是70mm，螺棱的軸向寬度為4.5mm,螺桿總長為540mm，螺桿長徑比為12，小于一般螺桿的長徑比。在此選用大型造型軟件Pro/E來創建螺旋絞刀的幾何模型。

2 數學模型

圖2 二維幾何模型Fig.22D geometric model

圖3 網格劃分Fig.3 Mesh division

圖4 壓力場分布等值線圖Fig.4 Pressure contour

圖5 軸向速度場分布等值線圖Fig.5 Axial velocity contour

圖6 溫度場分布等值線圖Fig.6 Temperature contour

泥料在被擠壓過程中，狀態變化相對比較復雜，因此，在允許的范圍內對其流態進行假設。具體假設如下[3]：

（1）泥料為賓漢體；

（2）流場為等溫、穩定流場；

（3）由于慣性力、重力等體積力小于粘性力，可忽略不計；

（4）雷諾數很小，可認為泥料的流動為層流流動；

（5）泥料為不可壓縮流體；

（6）流道壁面無滑移，忽略回流的影響。

在假設條件下,描述流場的基本微分方程如下[4]:

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

其中：vx，vy，vz分別表示泥料在x，y，z方向的速度分量；p流體壓力；u流體粘度；ρ0流體密度；T穩態溫度；Cp定壓比熱；K導熱系數；Qv內熱源的發熱量。本文采用高嶺土作為此次分析的陶瓷泥料的原料，含水率不超過30%。

3 有限元分析

3.1 網格劃分

將雙螺桿擠出機流道的幾何模型導入ANSYS中，采用三維FLUID142單元類型，Free自由網格，四節點四面體單元形狀進行有限元網格劃分，如圖3所示。

3.2 邊界條件

圖7 軸端面壓力分布圖Fig.7 Pressure contour on shaft end face

泥料是沿螺旋絞刀葉片表面滑動而被推擠前進的，這里選用的泥料牛頓粘度η=1.09×103Pa·s,塑性粘度=1.09×103Pa·s，表觀粘度μ=2.37×103Pa·s[5]，初始溫度t=26℃，比熱為840J（/kg·℃），導熱系數為2.6w/(m·℃)，對流系數為12.5w（/m2·℃），絞刀轉速為26r/min。采用與真空練泥機擠出實際情況相吻合的“動絞刀、靜筒壁”為前提確定邊界條件。由壁面無滑移條件可知，雙螺桿擠出機內表面流體微元的，速度為零，兩軸的外表面流體微元的速度等于兩軸表面泥料流動對應點的速度。因為不能預先給出螺，槽進出口的速度分布，采用這兩個面的壓力差作為壓力邊界,在靠近機頭的出口面加高壓Pout=2MPa，在靠近加料口的入口面加低壓Pin=0.02MPa[6]。

3.3 有限元分析結果

利用定義的邊界條件,對數學模型進行求解。再利用有限元分析軟件ANSYS進行模擬計算，得到了擠出機流道的壓力場、速度場、溫度場和軸端面壓力分布圖，如圖4～7所示。

由圖4可以看出，從入口到出口，壓力逐漸升高,即沿著泥料輸送方向，雙螺桿前部的壓力高于其后面的壓力。由圖5可以看出,泥料沿流道螺旋推進擠出，兩螺桿旋轉相對均勻的擠出泥料，進口的速度稍微大于出口的流速[7]。由圖6可以看出,與擠出方向相同的絞刀與軸轂接觸面的溫度比螺棱周邊溫度更高一，點，不過此處采用了變螺距的螺旋絞刀結構，混合攪拌均勻，溫度差不大。由圖7得出，在兩螺桿接觸區所受，壓力大于其余各部分，這樣雙螺桿相互擠壓軸向力更大，使得泥料擠出更容易，從而達到一定的減少泥料回流的效果。

4 結論

通過對雙螺桿擠出機的螺旋絞刀流場分析研究得出：從入口到出口，泥料所受壓力逐漸增大，有利于泥料在擠壓階段變得更加緊實，提高泥料的擠出質量；由于采用的是變螺距的非嚙合并列同向螺旋絞刀，在輸送擠壓段的接觸區，越靠近接觸區中心泥料流動速度越大；變螺距的螺旋絞刀結構彌補了絞刀與軸轂接觸部分的溫差過大缺陷；在兩螺桿接觸區所受軸向壓力大，起到一定的減少泥料回流作用。這為泥料在雙螺桿擠出機中的擠壓過程研究和泥料擠出質量的改善方面,提供了一定的理論參考。

1張柏清,林云萬.陶瓷工業機械與設備.北京:中國輕工業出版社,1999

2裴爾斯·勞爾斯頓.制造無瑕疵的泥料.1978(2):93～97

3朱復華.擠出理論及應用.北京:中國輕工業出版社,2001

4 ANSYS INC.ANSYS計算流體動力學分析指南.北京:美國ANSYS公司辦事處,2000

5陳惠釗.粘度測量北京:中國計量出版社,2003

6張柏清,裴佳宏,湯國興.基于有限元方法的真空練泥機螺旋絞刀結構參數研究,硅酸鹽通報,2006,8(4):71～75

7唐慶菊,李紀強,周平.基于ANSYS的食品雙螺桿擠出機流場數值模擬,機械設計與制造,2007(12):94～95